Mô hình thí nghiệm cọc đá balat trên đất yếu trong phõng thí nghiệm: phương pháp thay thế

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 49 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM CỌC ĐÁ BALAT TRÊN ĐẤT YẾU TRONG PHÕNG THÍ NGHIỆM: PHƯƠNG PHÁP THAY THẾ PHAN VÕ THU PHONG * Simulation in laboratory for installation of stone columns in soft soils : substitution method Abstract - This article concerns the consolidation process of clay (kaolin) reinforced by ballast stone columns. Research work is based on laboratory experiments and mainly derived from the reduced reinforcement model of rock pile. The role of soil reinforcentnt with ballast pile by "substitution method" will be clairi fied at the same time taking into account of the influence of pile diameter in the implementation process on the settlement of the land after reinforcement. Keywords: Reinforcement, stone column, method of construction, compaction. 1. LỜI NÓI ĐẦU * Việc áp dụng các giải pháp gia cố nền đất yếu đã được phổ biến rộng rãi ở Việt Nam, tuy nhiên giải pháp gia cố đất yếu bằng cọc đá balat chưa được đề cập nhiều. Kỹ thuật này được áp dụng đầu tiên ở Đức năm 1936, sau đó xây được cải tiến và sử dụng nhiều cho những công trình xây dựng trên đất sét yếu ở các nước châu Âu cũng như ở Mỹ. Khi ứng dụng giải pháp gia cố này, nền đất yếu được cải thiện bởi hai yếu tố: thứ nhất là từ vật liệu gia cố do chúng có những tính chất tốt hơn đất được gia cố, thứ hai là từ sự nén chặt của vùng đất xung quanh cọc do phương pháp chế tạo và do việc đầm nén vật liệu gia cố trong quá trình thi công. Chủ đề này cũng đã được nhiều nhà khoa học làm rõ bằng phương pháp phần tử hữu hạn, tức là việc xét đến sự nở hông của cọc khi thực hiện cọc gia cố dựa trên mô hình ứng xử của đất được gia cố (Rangeard và nnk, 2005; Flaviny và nnk, 2006). * Trường Đại học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh pvtphong2001@gmail.com Bài báo xem xét chủ yếu ảnh hưởng của phương pháp thi công và đường kính cọc đơn đến quá trình cố kết của đất yếu sau khi gia cố bằng cọc đá balat. Để đơn giản và thuận tiện cho việc thực hiện, đồng thời để tránh sự biến đổi tính chất tự nhiên của mẫu đất gia cố, chúng tôi làm việc trên mẫu đất được chế bị tại phòng thí nghiệm từ một loại đất sét đồng nhất với những đặc tính được xác định rõ ràng, đó là cao lanh. Những cọc cát áp dụng trong nghiên cứu này được chế bị theo phương pháp thay thế không đầm nén. Nhiều đề tài đã nghiên cứu về ứng xử của cọc đá balat ở phòng thí nghiệm xét trên các mô hình thu nhỏ là khối đất yếu và cọc cát. Chúng ta có thể kể ra ở đây những công trình nghiên cứu của Sivakumar và nnk (2004); Black và nnk (2006) hoặc Ammar và nnk (2009)... Tuy nhiên, các nhà khoa học này chỉ quan tâm đến vai trò của đường kính và chiều sâu cọc lên hiệu quả của việc gia cố đất mà chưa xem xét đến ảnh hưởng của phương pháp thi công. Trong khuôn khổ của công việc này, chúng tôi cũng quan tâm đến việc chế tạo cọc sao cho thật sát với quy trình thực hiện thi công cọc đá ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 50 balat ở công trường. Thật vậy, những cọc cát thực hiện trong phòng được chế tạo từ một bộ thiết bị cho phép thực hiện một hố khoan, sau đó thay thế đất yếu bởi vật liệu gia cố cọc bằng cách đổ vật liệu gia cố vào hố khoan mà không đầm nén (do đó được gọi là phương thay thế không đầm nén). Trong quá trình thực hiện, nhiều cọc cát cũng đã được chế tạo với những đường kính hố khoan khác nhau. Sau đó, những khối đất gia cố này (nghĩa là mẫu đất thí nghiệm có chứa một cọc cát) được đặt dưới cùng một tải trọng phân bố đều để tiến hành cố kết nhằm đánh giá ảnh hưởng của đường kính cọc gia cố và phương pháp chế tạo lên ứng xử của hỗn hợp đất và cọc. 2. VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM Cát được sử dụng cho mô hình này là cát tự nhiên lấy từ sông Loire ở Pháp. Sau đó cát được rây sàng và rửa sạch. Để vật liệu được đồng nhất, có xét đến khối lượng cát sử dụng chế tạo cọc là nhỏ và vật liệu này đảm nhiệm vai trò màng lọc nước trong quá trình cố kết (Degoutte và nnk, 2005), chúng tôi sử dụng cát có thành phần hạt trong khoảng từ 1,00 mm đến 1,25 mm. Đất sử dụng trong nghiên cứu này là cao lanh công nghiệp ở dạng bột khô. Các giá trị về giới hạn chảy wl và giới hạn dẻo wp của chúng cũng được xác định theo tiêu chuẩn của Pháp (NF P 94-051) và có giá trị lần lượt là 55 % và 39 %. Các mẫu đất nghiên cứu ở đây được cố kết trước một phần từ cao lanh công nghiệp khi trộn lẫn chúng với nước theo hàm lượng bằng hai lần giới hạn chảy. Tức là cao lanh sẽ được làm ẩm và bảo quản trong một bao kín không rò sau 24 giờ để việc làm ẩm thật sự đồng đều. Sau đó, chúng ta sẽ đổ hỗn hợp cao lanh ẩm vào trong khuôn cứng hình trụ được làm bằng gang có đường kính là 150 mm và chiều cao là 200 mm, tiếp đến là đặt mẫu dưới tác dụng của lực phân bố đều có cường độ tăng dần cho đến khi đạt được một áp lực là 50 kPa (hình 1). Hình 1. Mẫu đất nghiên cứu Mỗi cấp áp lực cần được duy trì trong một thời gian đủ dài cho đến khi độ lún của mẫu ổn định (vượt qua gia đoạn cố kết thứ nhất). Trạng thái đạt được ở cấp tải cuối cùng (50 kPa) gọi là tình trạng ban đầu của mẫu đất nghiên cứu và đó cũng chính là mẫu tham chiếu để tiến hành chế tạo những cọc cát gia cố. Dựa vào các thí nghiệm cổ điển ở phòng thí nghiệm (thí nghiệm nén cố kết (XP P 94-090-1), thí nghiệm nén ba trục (NF P 94-074)), những đặc trưng cơ lý của mẫu đất cũng được xác định. Các mẫu dùng để làm thí nghiệm được trích từ mẫu đất nghiên cứu ban đầu chứa trong khuôn bằng các dụng cụ chuyên dụng. Những giá trị về cơ lý của đất được thể hiện chi tiết trong tài liệu tham khảo [11] và được tóm lược trong bảng 1. Bảng 1. Đặc trƣng cơ lý mẫu đất nghiên cứu Chỉ số nén Chỉ số nở Áp lực tiền cố kết Lực dính hữu hiệu Góc ma sát hữu hiệu Cc Cs ı’p (kPa) c' (kPa) φ’ (độ) 0,5 0,1 50 0 21 3. MÔ HÌNH CHẾ TẠO CỌC ĐÁ BALAT Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM THEO PHƢƠNG PHÁP THAY THẾ KHÔNG ĐẦM NÉN Mô hình chế tạo những cọc cát trong phòng thí nghiệm từ những mẫu đất ban đầu đã chuẩn bị ở mục §2 nhằm để mô phỏng các điều kiện khi ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 51 áp dụng phương pháp thi công cọc đá balat ở ngoài thực tế. Chính xác hơn là sẽ mô phỏng lại sự thay thế đất yếu bằng đất gia cố tốt hơn dưới tác dụng của áp lực cố kết. Dụng cụ được sử dụng để chế tạo cọc cát chủ yếu bao gồm một bộ ống inox có đường kính trong (Φo) từ 10 mm đến 25 mm, bề dày của ống là 0,12 mm. Các giai đoạn chế tạo cọc cát theo phương thay thế không có đầm nén được thực hiện một cách tuần tự như sau: - Bước 1: một thiết bị dẫn hướng được lắp đặt cố định lên khuôn mẫu, thiết bị này được liên kết với tấm đệm cứng hình vành khăn đặt lên bề mặt cao lanh thông qua các bulông để giữ cố định khối đất trong quá trình chế tạo cọc cát. Ống inox (đầu mở) được đóng vào trong khối cao lanh đến sát đáy khuôn (hình 2a). - Bước 2: cao lanh được trích ra bởi một lưỡi khoan có đường kính bằng đường kính trong của ống inox (hình 2b). - Bước 3: một khối lượng cát được rót vào để tạo thành một lớp có chiều cao hlớp, với giả định dung trọng cát sau khi rơi tự do trong ống inox là 1,5 t/m 3 (hình 2c). - Bước 4: một pít-tông bằng nhôm có đường kính tương tự với mũi khoan được đưa vào tiếp xúc với bề mặt lớp cát và được cố định bằng thanh giữ (hình 2d). - Bước 5: ống inox được nâng lên một đoạn bằng chiều cao hlớp (hình 2e). - Bước 6: lớp cát này được nén nhẹ dưới trọng lượng của pít-tông (3 N) (hình 2f). Các bước từ 3 đến 6 được lặp đi lặp lại cho đến khi cột cát được hình thành, nghĩa là chiều cao cột cát bằng với chiều cao của khối đất (hình 2g). - Bước 7: bề mặt của khối đất gia cố được bao phủ bởi một lớp cát dày 15 mm (hình 2h). - Bước 8: cột cát được đổ đầy nước và bão hòa ít nhất 24 giờ trước khi đặt tải (hình 2i). Hình 2. Quy trunh chế tạo cọc cát theo «phương pháp tha thếª không đầm nén Trong trường hợp này, lực đầm nén truyền lên vật liệu gia cố rất bé và do đó lực tác dụng lên đất xung quanh cọc cũng rất bé. Với mục đích phân tích ảnh hưởng của đường kính cọc gia cố lên đặc tính của hỗn hợp đất/cọc sau khi gia cố dưới một áp lực cố kết, nhiều cọc cát với những đường kính khác nhau từ 14 mm đến 28 mm đã được thực hiện bằng phương pháp này. Việc theo dõi độ lún của mỗi lớp gia cố trong quá trình chế tạo nhờ vào đồng hồ đo chuyển vị cho phép tính độ lún trung bình (htb) trên toàn bộ chiều cao cọc cát (ho). Sau đó xét biến dạng thẳng đứng trung bình (tb) của mỗi lớp gia cố trong lúc chế tạo cọc: ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 52 εtb = ¨htb / hlớp (1) Kết quả tính toán được tổng hợp trong bảng 2. Bảng 2. Bảng tổng hợp độ lún và biến dạng thẳng đứng trung bình của mỗi lớp gia cố Mẫu I II III IV V Фo (mm) 11,9 13,8 15,8 20,1 25,1 F (N) 3 3 3 3 3 ıđn (kPa) 28 21 16 10 6 hlớp (mm) 18,4 22,7 24,2 19,9 9,4 Δhtb (mm) 5,5 6,3 6,0 3,1 2,1 tb(%) 30 28 25 15 22 Chúng tôi thấy rằng mặc dù áp lực đầm nén rất nhỏ nhưng độ lún trung bình của mỗi lớp gia cố dao động từ 2,1 mm đến 5,5 mm và biến dạng thẳng đứng trung bình thay đổi từ 22% đến 30% tỷ theo áp lực đầm nén. Diễn biến này được thể hiện trên hình 3. Hình 3. Sự tiến triển biến dạng thẳng đứng trung bình theo áp lực đầm nén của các mẫu thí nghiệm Đối với mỗi cọc được thực hiện, đường kính trung bình của cọc cát (Φtb) được xác định dựa vào số lượng cát đã được đổ vào trong lúc chế tạo. Sự tăng trưởng của đường kính cọc cát (¨Φtb/Φo) theo áp lực đầm nén rất nhỏ dưới trọng lượng của pít-tông được tính theo công thức: ¨Φtb / Φo = (Φtb - Φo) / Φo (2) Để thấy rõ hơn nữa sự tăng tương đối của cọc so với đường kính hố khoan, chúng tôi xem xét tỉ lệ thay thế trước và sau gia cố vật liệu, tỉ lệ này được xác định bởi hệ số thay thế: A A a c (3) Với : Ac là diện tích của cọc cát sau khi thi công ; A là diện tích toàn bộ vùng ảnh hưởng của cọc và diện tích cọc (trong trường hợp này, A là diện tích của khuôn). Các kết quả trên được tổng hợp trong bảng 3 và thể hiện trên hình 4. Bảng 3. Bảng tổng hợp đƣờng kính cọc và tỉ lệ thay thế của các mẫu thí nghiệm Mẫu I II III IV V Фo (mm) 14,2 16,1 17,4 21,8 28,5 Фtb / Фo (%) 20 17 11 8 13 ao (%) 0,6 0,8 1,1 1,8 2,8 atb (%) 0,9 1,1 1,4 2,1 3,6 atb / ao (%) 43 37 22 17 28,4 Xét đến đường kính của khuôn hình trụ chứa mẫu đất gia cố là 150 mm, thu các tỉ lệ trộn được áp dụng cho phương pháp chế tạo này vào khoảng 3 %. Chúng ta ghi nhận rằng tỉ lệ này vẫn còn nhỏ hơn đối với tỉ lệ trộn đã sử dụng ở ngoài thực tế (Dhouib et Blondeau, 2005). Hình 4. Sự tăng trưởng của đường kính cọc và tỉ lệ thay thế theo áp lực nén tĩnh, dưới trọng lượng của pít-tông ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 53 Chúng ta thấy rằng sự tăng tương đối đường kính cọc cát tỉ lệ với áp lực đầm nén mặc dù áp lực này rất nhỏ, điều đó cho thấy nó cũng làm nở hông một phần cọc cát trong quá trình chế tạo. 4. ỨNG XỬ TRONG QUÁ TRÌNH CỐ KẾT CỦA CÁC KHỐI ĐẤT ĐƢỢC GIA CỐ Để đánh giá ảnh hưởng của việc gia cố đất đối với ứng xử của khối đất sét sau khi thực hiện gia cố bằng cọc cát, chúng tôi đặt chúng dưới một áp lực phân bố đều là 150 kPa. Áp lực phân bố này được duy trì trong thời gian đủ dài để giai đoạn tiền cố kết hoàn toàn kết thúc. Kết quả cụ thể được trình bày dưới đây. Những đường cong diễn biến độ lún được thể hiện ở hình 5. Đường cong biểu diễn độ lún của một mẫu cao lanh không được gia cố cọc cát cũng được biểu thị đồng thời trên hình này. Đường cong này cũng là đường cong tham chiếu biểu thị cho đất hoàn toàn chưa được xử lý. Như đã tiên đoán, chúng ta ghi nhận rằng, độ lún của những khối đất được gia cố bởi cọc cát là nhỏ hơn độ lún của khối đất thuần túy (đất không gia cố cọc cát) và điều này được nhận thấy một cách rõ ràng hơn đối với những cọc có đường kính lớn hơn 20 mm. Hơn nữa, dường như đường kính của cọc cát cũng ảnh hưởng quan trọng đến biên độ lún của khối đất. Hình 5. Độ lún theo thời gian dưới tác dụng tải phkn bố đều 150 kPa Những cọc cát được chế tạo theo phương pháp thay thế không đầm nén Để thấy một cách rõ ràng ảnh hưởng của việc chế tạo cọc theo phương pháp chế tạo này, chúng ta xem xét tỉ lệ giảm độ lún Tr được xác định bằng biểu thức sau: (4) với ¨hkc là độ lún thuần túy của khối đất khi không có gia cố (mẫu tham chiếu), ¨hcc là độ lún của khối đất khi có gia cố bằng một cọc cát. Tính đến hình dạng của đường cong biểu diễn về độ lún (hình 5), giá trị độ lún được xem xét trong mỗi trường hợp sử dụng để tính trong công thức (4) là độ lún được đo ở cùng một thời điểm 105 giây. Kết quả được thể hiện trong bảng 4 và trên hình 6. Bảng 4. Tỉ lệ giảm độ lún của các mẫu thí nghiệm Mẫu I II III IV V Фo (mm) 14,2 16,1 17,4 21,8 28,5 Tr (%) 0,8 1,5 3,4 8,4 13,6 Chúng ta thấy rằng, đường kính cọc cát càng lớn, tỉ lệ giảm độ lún càng lớn và giá trị này đạt 13,6% ứng với tỉ lệ trộn 3,6%. Mặt khác, ứng xử của một cọc đơn cũng khác biệt so với ứng xử của một cọc nằm trong nhóm (Wehr, 2004). Nhất là, sự phân tích ứng xử của một nhóm cọc được hunh thành từ việc gộp chồng các ứng xử của những cọc đơn dẫn đến một sự đánh giá thấp về hiệu quả của việc gia cố. Những phương pháp tính toán độ lún được dựa trên nền tảng đơn giản về sự đồng nhất của những đặc tính biến dạng của đất và của cọc (theo tỉ lệ về diện tích) ứng với trường hợp chế tạo cọc bằng phương pháp thay thế, khi những đặc trưng cơ lý của đất không hoặc ít tác dụng đến phương pháp thi công cọc. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 54 Hình 6. Sự giảm đ lún theo đường kính cọc 5. KẾT LUẬN Nghiên cứu này giải quyết ảnh hưởng của các phương pháp thi công cọc đá balat dựa trên việc gia cố đất sét yếu. Một nghiên cứu về mô hình thu nhỏ ở phòng thí nghiệm đã cho phép làm rõ vai trò phương pháp chế tạo cọc và cố kết của đất yếu khi được gia cố. Mặc dù việc đầm nén nhỏ nhưng biến dạng thẳng đứng của cọc trong quá trình chế tạo có thể đạt đến 30% tương ứng với áp lực đầm nén tĩnh là 28 kPa và điều đó đã làm tăng đường kính cọc lên đến 20%, việc này cũng chứng tỏ đất xung quanh cũng bị ép chặt một phần khi chế tạo bằng phương pháp thay thế không đầm nén. Vai trò của đường kính cọc gia cố cũng đồng thời được sáng tỏ, đường kính cọc càng lớn, sự giảm độ lún càng lớn và giá trị này đạt 13,6% ứng với hệ số thay thế 3,6%. TÀI LIỆU TH M KHẢO 1. Ambily A.P. and Gandhi S.R., «Behavior of Stone Columns Based on Experimental and FEM Analysis », Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2007, pp.405-414. 2. Ammar A.M.S., Liu X., Lin H. et Ren J., « Enlarged base stone columns to improve soft clay soil», International Conference on Transportation Engineering 2009 (ICTE 2009), 2009, pp.4240-4245. 3. Black J., Sivakumar V., Madhav M. R., and McCabe B., « An Improved Experimental Test Set-up to Study the Performance of Granular Columns », Geotechnical Testing Journal, Vol. 29, N° 3, 2006, p.193-199. 4. Degoutte G., Royet P., Aide mémoire de mécanique des sols, Réédition, Paris, 2005. [5]. Dhouib A., Blondeau F., Colonnes Ballastées, Presses de l’École National des Ponts et Chaussées, Paris, 2005. [6]. Phan V.T.P., Renforcement des sols compressibles par colonnes ballastées, Thèse de doctorat, Université Européenne de Bretagne - INSA de Rennes, 2010. [7]. Rangeard D., Guillard R., Sadek M., « Caractérisation mécanique d’une colonne ballastée à partir d’essais pressiométrique », Proc. Int. Symp. 50 Years Pressuremeter 1, 2005, pp.637-644. [8]. Sivakumar V., McKelvey D., Graham J., and Hughes D., «Triaxial tests on model sand columns in clay», Can. Geotech. J. 41, 2004, pp. 299-312. [9]. Wehr J. (2004) Stone columns - Single columns and group behaviour. Proc. 5 th Int. Conf. Ground Imp. Tech., 329-340. Người phản biện: PGS.TS. ĐOÀN THẾ TƯỜNG